▌引言

金属锂电池有望成为未来能量储存领域的新星，但是诸如嵌锂-脱锂过程中的库伦效率限制和锂枝晶生长的安全性问题是其面临的主要挑战。

为了构建高性能的金属锂电池，精确测量锂的库伦效率是预测循环寿命的关键问题之一。当库伦效率接近100%的时候，尽管是0.1%的增量也会导致金属锂电池循环寿命显著的变化。然而，测量锂的库伦效率是受许多因素和测试方法影响的。比如，在锂样品的制备、转移和分析过程中，要尽量谨慎地避免暴露在空气中。

▌成果简介

近日，来自西北太平洋国家实验室的张基广博士在著名期刊Advanced Energy Materials上发表题为” Accurate Determination of Coulombic Efficiency for Lithium Metal Anodes and Lithium Metal Batteries”的文章。该文章研究了影响金属锂库伦效率测试的各种因素，并提出了一种精确测量金属锂库伦效率的方法。

改进的测试库伦效率的可靠方法可作为标准化技术从而为其他研究者提供借鉴，并帮助其减小不同研究组之间测试库伦效率的误差。该库伦效率测试值可由此计算得到，并用于循环过程中锂消耗量的的定量化和金属锂电池循环寿命的估算。

▌图文导读

图一：方法1测试Li||Cu电池的电化学性能。

a) 使用方法1测试的Li||Cu电池循环示意图；

b) 恒电流测试；

c) 电压随时间变化的变化曲线；

d) 计算的库伦效率与循环次数的变化曲线。

图二：方法2测试Li||Cu电池的电化学性能。

a) 使用方法2测试的Li||Cu电池循环示意图；

b) 恒电流测试；

c) 电压随时间变化的变化曲线。

图三：方法3测试Li||Cu电池的电化学性能。

a) 使用方法3测试的Li||Cu电池循环示意图；

b) 恒电流测试；

c) 电压随时间变化的变化曲线。

图四：不同沉积容量下的电化学性能。

a) 不同沉积容量下的电压曲线；

b) 不同沉积容量下库伦效率与循环次数的关系曲线。

图五：稳定化过程。

a) 不同沉积容量循环下库伦效率与循环次数的变化图；

b) 库伦效率达到稳定值的循环次数。

图六：循环损失的库伦效率。

a) 库伦效率与循环次数的关系图；

b) 积累循环容量和积累的电容损失关系。

图七：装配正极的理想金属锂电池。

a) 金属锂电池的示意图；

b) 锂插入NMC正极的电压曲线。

▌小结

比较了几种计算电化学嵌锂-脱锂方法的库伦效率。使用方法1测试的 Li||Cu电池每一个循环的脱锂过程彻底，是目前为止最传统的方法，可以提供大部分关于积累电荷损失的信息。该方法可以有效地用于筛选不同电解液或者金属锂保护策略，并用于不同循环状态。

然而其中一个弊端是，该方法在钝化过程中库伦效率是上升的，因此在计算平均库伦效率或者模拟电池寿命的时候，稳定化之前的首次循环应该去掉。方法2中，锂沉积在铜电极上，很少有固定的锂容量能循环，最后锂仍然完全地脱离到高电压。

用这个方法只能计算库伦效率的平均值，但是这个数值是比较精确的，因为在循环过程中锂从锂基底的表面嵌锂-脱锂，而不是在铜基底表面上进行。然而基底的状态仍会通过初次和最后的脱锂过程影响并决定库伦效率。为了克服这些不确定性，文章提出了在沉积锂之前使用高容量状态（或稳定化状态）循环来钝化铜电极的方法。在稳定化过程后，库伦效率可以通过循环有限厚度的锂电极来计算。另外，尽管锂电极的厚度得知，通过Li||Li电池测试库伦效率并不可靠。最后，高循环容量导致了较高的库伦效率值，这意味着嵌锂-脱锂过程的初始状态比之后的过程消耗的要多一些。稳定化过程也与循环容量有关。